"ГОСТ 12248.4-2020. Межгосударственный стандарт. Грунты. Определение характеристик деформируемости методом компрессионного сжатия"
(введен в действие Приказом Росстандарта от 14.10.2020 N 824-ст)

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

1 РАЗРАБОТАН Научно-исследовательским, проектно-изыскательским и конструкторско-технологическим институтом оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова (НИИОСП им. Н.М. Герсеванова) АО "НИЦ "Строительство"

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 31 августа 2020 г. N 132-П)

За принятие проголосовали:

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 14 октября 2020 г. N 824-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 12248.4-2020 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июня 2021 г.

5 ВЗАМЕН ГОСТ 12248-2010, подраздел 5.4

Настоящий стандарт устанавливает метод лабораторного определения характеристик деформируемости дисперсных грунтов при их исследовании для строительства.

Настоящий стандарт не распространяется на все виды мерзлых грунтов.

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие международные стандарты:

ГОСТ 5180 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик

ГОСТ 12071 Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов

ГОСТ 12536 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава

ГОСТ 22733 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности

ГОСТ 25100 Грунты. Классификация

ГОСТ 30416 Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (www.easc.by) или по указателям национальных стандартов, издаваемым в государствах, указанных в предисловии, или на официальных сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации. Если на документ дана недатированная ссылка, то следует использовать документ, действующий на текущий момент, с учетом всех внесенных в него изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то следует использовать указанную версию этого документа. Если после принятия настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение применяется без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 25100, ГОСТ 30416, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 одометрический модуль деформации E_oed: Отношение изменения напряжения к соответствующему изменению деформации в заданном интервале напряжений, МПа.

3.2 касательный одометрический модуль деформации : Отношение изменения напряжения к соответствующему изменению деформации, построенное к касательной в точке компрессионной кривой, соответствующей вертикальному эффективному напряжению от собственного веса грунта, МПа.

3.3 коэффициент анизотропии K_a: Отношение значений одометрических модулей деформации, определенное при вертикальном (природном) и горизонтальном положении образцов.

4.1 Настоящий стандарт устанавливает требования к методу компрессионного сжатия, включающего компрессионные и консолидационные испытания всех видов дисперсных грунтов для определения характеристик деформируемости, за исключением мерзлых грунтов.

4.2 Общие требования к лабораторным испытаниям грунтов, оборудованию и приборам, лабораторным помещениям, способы изготовления образцов для испытаний приведены в ГОСТ 30416.

4.3 Способы отбора монолитов и подготовки образцов для испытаний должны обеспечить практически полное сохранение их структуры и влажности в соответствии с ГОСТ 12071 и ГОСТ 30416.

4.4 Для испытуемых грунтов должны быть определены физические характеристики по ГОСТ 5180 и гранулометрический состав по ГОСТ 12536.

Примечание - Гранулометрический состав определяется для несвязных грунтов и для связных грунтов при наличии включений более 4 мм.

4.5 В процессе испытаний грунтов ведут журналы, формы которых приведены в приложении А, а при автоматизации процесса испытаний и обработки данных с помощью компьютерных программ результаты опыта выводятся на компьютер в форме паспорта (протокола) испытания.

4.6 Отчет об испытании должен включать в себя:

- идентификацию образца (номер буровой скважины, номер пробы, номер испытания, глубина отбора и т.п.);

- метод подготовки образца (ненарушенного или нарушенного сложения, предварительное водонасыщение);

- начальные размеры образца;

- физические характеристики грунта;

- использованный режим нагружения;

- таблицу результатов испытания (нагрузки-деформации);

- графики испытаний;

- числовые значения полученных характеристик грунта.

Для всех образцов, помимо определения необходимых физических характеристик, должны быть отмечены характерные особенности (слоистость, трещиноватость, наличие включений и др.).

Примечание - При описании образцов рекомендуется руководствоваться нормативными документами, действующими на территории государств, проголосовавших за принятие настоящего стандарта.

При необходимости допускается приводить и другую дополнительную информацию.

5.1 Испытания методом компрессионного сжатия проводят в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца при его нагружении вертикальной нагрузкой.

Метод компрессионного сжатия включает в себя компрессионные и консолидационные испытания грунтов.

5.2 Компрессионные испытания проводят для определения коэффициента сжимаемости m₀, секущего одометрического модуля деформации E_oed, касательного одометрического модуля деформации , модуля повторного нагружения E_ur.

По результатам компрессионных испытаний определяется зависимость деформации образца от нагрузки.

5.3 Консолидационные испытания проводят для определения коэффициентов фильтрационной и вторичной консолидации c_v и соответственно.

По результатам консолидационных испытаний определяют зависимость деформации от времени при фиксированном значении нагрузки.

5.4 Диапазон давлений, при котором проводятся компрессионные испытания, определяется в программе испытаний с учетом эффективного напряжения от собственного веса грунта и нагрузки от сооружения.

Природное эффективное напряжение от собственного веса грунта определяется в соответствии с нормативными документами, действующими на территории государств, проголосовавших за принятие настоящего стандарта.

5.5 При консолидационных испытаниях значение фиксированной ступени напряжения определяется программой испытаний с учетом эффективного напряжения от собственного веса грунта и нагрузки от сооружения.

5.6 Для испытаний используют образцы грунта ненарушенного сложения с природной влажностью, принудительно водонасыщенные образцы или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности по ГОСТ 30416.

5.7 Образец грунта должен иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и отношение диаметра к высоте должно составлять от 2,8 до 3,5. Максимальный размер фракции грунта (включений, агрегатов) в образце должен быть не более 1/5 высоты образца.

6.1 В состав установки для испытания грунта методом компрессионного сжатия должны входить:

- компрессионный прибор (одометр), включающий рабочее кольцо, корпус, перфорированный вкладыш, перфорированный штамп и поддон для сбора, отвода и подачи воды;

- механизм для вертикального нагружения образца грунта;

- устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта.

В компрессионном приборе дополнительно может быть предусмотрена возможность измерения порового давления с одного из торцов образца и бокового давления грунта на стенки рабочего кольца.

6.2 Конструкция компрессионного прибора должна обеспечивать:

- герметичность деталей прибора;

- центрированную передачу нагрузки на штамп;

- первоначальную нагрузку на образец от штампа и закрепленных на нем измерительных приборов не более 0,0025 МПа;

- перфорация вкладыша и штампа должна обеспечивать свободный отток отжимаемой воды из образца.

6.3 Погрешности измерений (усилий, давлений, перемещений) для всех измерительных устройств принимаются в соответствии с требованиями ГОСТ 30416.

6.4 Воздействия на образец (усилия, давления, перемещения) должны создаваться с точностью не менее 5% от требуемой величины воздействия.

6.5 Измерительные устройства (приборы) должны обеспечивать измерения с дискретностью (ценой деления для механических, разрешающей способностью для электронных) не менее:

- при измерении вертикальной нагрузки на образец - 2% от максимальной нагрузки при испытании;

- при измерении вертикальной деформации - не более 0,05% от начальной высоты образца.

6.6 Компрессионные приборы тарируют на сжатие с помощью металлического вкладыша, снабженного такими же фильтрами, как и при основных испытаниях. Максимальное давление при тарировке принимают в зависимости от конструкции прибора и предельных нагрузок при испытаниях, но не менее 1,0 МПа, нагружение проводят ступенями по 0,05 МПа на первых двух ступенях и далее по 0,1 МПа с выдержкой по 2 мин.

Допускается проведение тарировки ступенями нагрузок, заданными программой испытания.

7.1 Образец грунта изготавливают с учетом требований, изложенных в 5.6.

7.2 Образец в рабочем кольце взвешивают, покрывают с торцов влажными фильтрами и помещают в цилиндрическую обойму компрессионного прибора.

7.3 Выполняют следующие операции:

- подготовленный образец грунта помещают в одометр;

- собранный одометр устанавливают под механизм для вертикального нагружения образца грунта;

- регулируют механизм нагружения образца;

- подключают устройства для измерения вертикальных деформаций образца;

- записывают начальные показания приборов.

7.4 При необходимости, если это предусмотрено программой работ, перед испытанием проводят водонасыщение образца. Для исключения возможного разуплотнения грунта водонасыщение проводят под арретиром. Насыщение образца водой проводят путем фильтрации воды снизу вверх. Для глинистых грунтов водонасыщение проводят в течение 2 - 5 сут, для песков - до момента появления воды над штампом.

8.1 При компрессионных испытаниях нагружение образца проводят путем ступенчатого нагружения статической нагрузкой. Ступени нагрузки прикладывают равномерно, без ударов.

Примечание - Допускается также проведение компрессионных испытаний в режимах задаваемых перемещений (метод MPH) и заданной скорости деформирования (метод CRS).

8.2 При испытании песков, в том числе заторфованных и с примесью органического вещества, первую ступень давления принимают в зависимости от коэффициента пористости e по таблице 1, а при испытании глинистых грунтов - в зависимости от показателя текучести I_L по таблице 2. Последующие ступени давления принимают путем удвоения значения предыдущей ступени.

Примечания

1 Программой исследований могут быть обоснованы иные ступени давления p₁, исходя из особенностей деформирования грунта, условий отсыпки и условий возведения сооружения.

2 Ступени давления образцов крупнообломочных грунтов принимаются по составу заполнителя.

8.3 В процессе проведения испытания конечное давление доводят до заданного программой значения (см. 5.4). При этом общее число ступеней должно быть не менее пяти.

8.4 На каждой ступени нагружения образца регистрируют показания приборов для измерения вертикальных перемещений в следующей последовательности: первое показание - сразу после приложения нагрузки, затем через 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 мин и далее с интервалом 1 ч в течение рабочего дня, а затем - в начале и конце рабочего дня.

Примечание - Указанное время снятия показаний может быть несколько изменено для удобства построения кривой консолидации методом "квадратного корня из времени" (см. 8.5, 9.1).

8.5 Для водонасыщенных в условиях природного залегания глинистых, органоминеральных и органических грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод, и грунтов, приведенных в водонасыщенное состояние (см. 7.4), время окончания уплотнения образца на данной ступени нагружения определяют как время завершения 100%-ной фильтрационной консолидации. Для этого в процессе испытания строят график зависимости деформации образца во времени - кривую консолидации, которую обрабатывают методом "квадратного корня из времени" или логарифмическим методом и определяют время окончания фильтрационной консолидации t₁₀₀ (см. приложение Б).

Примечание - За критерий условной стабилизации деформации водонасыщенных грунтов допускается принимать приращение деформации образца, не превышающее 0,05% за время, указанное в таблице 3.

8.6 Для глинистых, органоминеральных и органических грунтов с коэффициентом водонасыщения S_r < 0, а также несвязных грунтов уплотнение образца на данной ступени нагружения продолжают до момента достижения условной стабилизации деформации образца.

За критерий условной стабилизации деформации образца принимают ее приращение, не превышающее 0,05% за время, указанное в таблице 3.

8.7 При испытании насыпных грунтов с заданными плотностью и влажностью ступени давления и время их выдержки принимают по 8.2, 8.4 и 8.6 или в соответствии с программой испытаний в зависимости от начального коэффициента увлажнения грунта K_увл (см. таблицу 4), определяемого как отношение влажности насыпного грунта в конструкции к оптимальной влажности грунта при его максимальной плотности при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733.

8.8 Для определения модуля деформации повторного нагружения E_ur в процессе испытания производится разгрузка образца грунта, а затем повторное нагружение (см. рисунок Г.2 приложения Г). Диапазон давлений, при которых начинается и завершается разгрузка, определяется заданием.

Повторное нагружение проводят в последовательности, аналогичной последовательности первого нагружения. Число ступеней при разгрузке допускается уменьшить.

Интервалы для регистрации деформации образца и критерии стабилизации при разгрузке и повторном нагружении принимают такими же, как и при прямом нагружении.

8.9 По специальному заданию для определения коэффициента анизотропии K_a проводятся парные компрессионные испытания. Образцы для таких испытаний вырезаются из одного монолита грунта в вертикальном (природном) и горизонтальном положении оси образца.

Вертикальный одометрический модуль деформации E_oed и горизонтальный - E_oedH определяются для одного и того же интервала давлений, определяемого заданием.

8.10 После окончания испытания необходимо снять нагрузку, убрать арретир, разобрать одометр, взвесить рабочее кольцо с грунтом и определить физические характеристики грунта.

9.1 Консолидационные испытания проводят путем вертикального нагружения образца в условиях компрессионного сжатия.

9.2 Консолидационные испытания проводятся в условиях открытого дренажа. Условия дренирования образца (одностороннее или двухстороннее) должны быть указаны в программе испытаний.

9.3 Давление на образец при консолидационных испытаниях прикладывают единовременно в одну ступень. Размер ступени нагружения определяется заданием.

9.4 Деформации образца регистрируют через промежутки времени, указанные в 8.4.

9.5 В процессе испытания для определения коэффициента фильтрационной консолидации c_v строят кривую консолидации в координатах относительная деформация - корень квадратный из времени или используют логарифмическую шкалу времени в соответствии с приложением Б.

При определении коэффициента вторичной консолидации испытание продолжают до гарантированного выхода консолидационной кривой на конечный прямолинейный участок вторичного сжатия (не менее трех точек измерений на участке) (см. рисунок Б.2 приложения Б).

9.6 При определении c_v и насыпных глинистых грунтов с заданными значениями плотности и влажности учитывают при необходимости реальный градиент отжатия поровой жидкости, значение которого задается в программе испытаний.

Давление на образец , МПа, при котором будет создан заданный градиент отжатия, вычисляют по формуле

где I - заданный градиент отжатия, МПа/см;

l - длина пути фильтрации воды из образца, см.

10.1 Для определения характеристик m₀, E_oed, и E_ur и K_a по результатам испытания для каждой ступени нагружения вычисляют:

- абсолютную вертикальную стабилизированную деформацию образца грунта , мм, как среднеарифметическое значение показаний измерительных устройств за вычетом поправки на деформацию компрессионного прибора ;

- относительную вертикальную деформацию образца грунта ;

- коэффициент пористости грунта e_i при давлениях p_i по формуле

10.2 По вычисленным значениям строят график зависимости или (см. приложение Г). Через точки графика проводят осредняющую плавную кривую.

10.3 Коэффициент сжимаемости m₀, МПа, на каждой ступени нагрузки от до вычисляют с точностью 0,001 МПа по формуле

где e_i, e_i+1 - коэффициенты пористости, соответствующие давлениям и .

10.4 Одометрический модуль деформации E_oed в заданном интервале давлений (секущий модуль) вычисляют с точностью до 1,0 МПа по формуле

или

где - изменение относительной деформации, соответствующее ;

m₀ - коэффициент сжимаемости, соответствующий .

10.5 Касательный одометрический модуль деформации определяют в соответствии с приложением В по формуле

где - вертикальное эффективное напряжение от собственного веса грунта, МПа;

- относительная деформация, соответствующая точке пересечения касательной к компрессионной кривой в точке A с осью ;

- относительная деформация, соответствующая вертикальному эффективному напряжению от собственного веса грунта .

10.6 Определение модуля повторного нагружения E_ur определяется из графика зависимости (см. рисунок Г.1 приложения Г) по формуле

где - вертикальное эффективное напряжение, соответствующее точке пересечения кривых разгрузки и повторного нагружения (точка B на рисунке Г.2 приложения Г);

- деформация, соответствующая максимальной разгрузке образца (точка A на рисунке Г.2 приложения Г);

- деформация, соответствующая точке пересечения ветви кривых разгрузки и повторного нагружения (точка B на рисунке Г.2 приложения Г).

10.7 Коэффициент анизотропии K_a определяется по формуле

где E_oed - одометрический модуль деформации грунта, определяемый по результатам испытания образца, вырезанного в вертикальном направлении, МПа;

E_oedH - одометрический модуль деформации грунта, определяемый по результатам испытания образца, вырезанного в горизонтальном направлении, МПа.

10.8 Определение коэффициента фильтрационной консолидации c_v и коэффициента вторичной консолидации приведено в приложении В.

Б.1 Для определения коэффициента фильтрационной (первичной) консолидации c_v кривую консолидации (см. Б.2) следует обработать методом "квадратного корня из времени" или логарифмическим методом, а при одновременном определении коэффициентов фильтрационной c_v и вторичной (за счет ползучести грунта) консолидации - логарифмическим методом.

На кривой консолидации выделяют участки фильтрационной и вторичной консолидации, а для насыпных грунтов с заданными значениями влажности и плотности - еще участок дофильтрационной консолидации.

Б.2 Для определения коэффициента фильтрационной консолидации методом "квадратного корня из времени" по результатам испытаний грунта под постоянным давлением строят кривую консолидации в координатах: относительная деформация (ордината) - корень квадратный из времени в минутах (абсцисса) (см. рисунок Б.1).

К начальной линейной части кривой (обычно в пределах первых 50% сжатия) проводят прямую наилучшего приближения ab, а из точки пересечения ab с осью ординат проводят вторую прямую ac, абсциссы которой равны 1,15 соответствующих абсцисс прямой ab.

Пересечение прямой ac с экспериментальной кривой определяет время , соответствующее степени фильтрационной консолидации 0,90.

Б.3 Коэффициент фильтрационной консолидации c_v, см²/мин (см²/год), вычисляют по формуле

где T₉₀ - коэффициент (фактор времени), соответствующий степени консолидации 0,90, равный 0,848;

h - высота образца (средняя между начальной высотой и высотой после завершения опыта на консолидацию), см. При двухсторонней фильтрации принимается высота, равная h/2;

t₉₀ - время, мин (год);

f_T - температурный поправочный коэффициент (см. Б.4).

Для определения времени 100%-ной фильтрационной консолидации предварительно вычисляют деформацию сжатия . Из точки проводят горизонтальную прямую до пересечения с кривой консолидации и находят соответствующее значение .

Б.4 Если температура в лаборатории значительно отличается от 20 °C, необходимо вводить температурную поправку f_T для приведения результатов к 20 °C в соответствии с таблицей Б.1.

Б.5 Для определения значений c_v и логарифмическим методом строят кривую консолидации в координатах: относительная деформация (ордината) - время t, мин, откладываемое на логарифмической шкале (абсцисса) (см. рисунок Б.2).

Б.6 На кривой консолидации (см. рисунок Б.2) нужно найти значение относительной деформации, соответствующее нулевому первичному сжатию (откорректированный ноль компрессии d₀). Для этого на начальной части кривой выбирают точки с абсциссами 0,1 и 0,4. Разность ординат данных точек, отложенная выше начальной точки графика, определит приведенный ноль d₀.

Б.7 По кривой консолидации находят деформацию, соответствующую 100%-ному фильтрационному сжатию при заданной нагрузке. Для этого проводят и продлевают две касательные: к самой крутой части кривой (т.е. в точке перегиба) и к конечному линейному участку кривой. Точка пересечения этих касательных соответствует 100%-ному первичному сжатию грунта. Сжатие, следующее за 100%-ным первичным сжатием, определяется как вторичное сжатие за счет деформаций ползучести.

Б.8 Для определения коэффициента фильтрационной консолидации c_v логарифмическим методом определяют время, требуемое для 50%-ного первичного сжатия. Для этого вычисляют деформацию, соответствующую 50%-ному первичному сжатию , равную среднеарифметическому значению деформаций, соответствующих нулевому d₀ и 100%-ному сжатию . Точку проецируют на кривую и тем самым находят соответствующее время t₅₀.

Коэффициент фильтрационной консолидации c_v, см²/мин (см²/год), вычисляют по формуле

где T₅₀ - коэффициент (фактор времени), соответствующий степени консолидации 0,5, равный 0,197;

h - то же, что и в формуле (Б.1);

t₅₀ - время, соответствующее 50%-ному первичному сжатию, мин.

Б.9 Коэффициент вторичной консолидации (безразмерная величина) определяют по тангенсу угла между линейным отрезком кривой на участке вторичной консолидации и прямой, параллельной оси абсцисс (см. рисунок Б.2), по формуле

где и - значения деформации образца на участке вторичной консолидации;

t₁ и t₂ - время, соответствующее деформациям и , мин.

Б.10 Для насыпных грунтов с заданными значениями влажности и плотности кривая консолидации в зависимости от свойств грунтов может иметь три (кривая а) или два (кривая б) участка: дофильтрационной консолидации, фильтрационной консолидации и вторичной консолидации (см. рисунок Б.3).

Коэффициент дофильтрационной консолидации (кривые а и б) вычисляют по тангенсу угла наклона касательной к первому участку кривых , окончание которого определяется пересечением касательных к первому и второму участкам кривой, по формуле (Б.3), в которой разность деформаций в числителе заменяют на , соответствующую времени t и t₀.